Beton- und Stahlbetonbau 3 - CITec Concrete Improvement ...

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U. Schneck · Zerstörungsfreier elektrochemischer Chloridentzug an der Donaubrücke Pfaffenstein: Langzeiterfahrungen über eine bauwerksschonende und verkehrserhaltende Technologie sche Feld wirkt hier unterstützend: Da die Anzahl der an Kationen angelagerten Wassermoleküle (Solvathülle) durchschnittlich größer ist als die bei Anionen, wird mehr Wasser zur Kathode transportiert als zur Anode, und der Beton nimmt das an der externen Anode aufgegebene Wasser schnell auf. Der durch das elektrische Feld bewirkte Ionentransport ist ein physikalischer Prozess; tatsächlich ist die Migration nur in den Kapillar- und Schrumpfporen möglich, die häufig anders ausgerichtet sind als die Feldlinien. Entsprechend ihrer Größe, der spezifischen Beweglichkeit [1] und Konzentration haben die gelösten Ionen einen veränderlichen Anteil am Gesamttransport. Der Chloridanteil an der Anionenmigration ist zu Beginn der Chloridextraktion am größten und verringert sich stetig, während der Anteil an Hydroxylionen zunimmt. Auf der Bewehrungsoberfläche kommt es zu elektrochemischen Reaktionen: der Reduktion von Oxiden, Sauerstoff und Wasser. Diese Reaktionen stehen in Bezug zum Strom, der während des Chloridentzugs fließt, und zur damit verbundenen eingetragenen Ladungsmenge. Die auf die Bewehrung bezogenen Stromdichten bewegen sich üblich zwischen 0,5 und 2 A/m 2 , können aber während der ersten Stunden/Tage der Behandlung wesentlich höher sein. Die hauptsächliche Reaktion ist die Sauerstoffreduktion Gl. (1a), bei der Hydroxylionen gebildet und die Alkalität des Betons um die Bewehrung erhöht wird. 1 O2+H 2O +2e → 2OH 2 z. B. Fe2 O 3 + 3H2O+ 2e → 2Fe(OH) 2 + 2OH 2H O + 2e → H + 2OH 2 – – – 2 – Gleichung 1. Mögliche Reaktionen auf der Stahloberfläche beim Chloridentzug Equation 1. Possible reduction reactions on the reinforcement surface forced by ECE (1a) (1b) (1c) Beide Prozesse – Chloridmigration und Reduktion von Oxiden, Sauerstoff und Wasser – laufen gleichzeitig ab, stehen aber in keinem direkten, mathematisch auswertbaren Zusammenhang. Während die Chloridmigration von der Höhe der angelegten Spannung (vom elektrischen Feld), der Betonüberdeckung, der Permeabilität des Betons und vom Wassergehalt abhängen, werden der Stromfluß und die eingetragene Ladungsmenge von Spannung, Temperatur, Betonwiderstand und den Übergangswiderständen auf Bewehrung und Anode bestimmt. Diese Betrachtung stimmt mit anderen Veröffentlichungen, die den Chloridentzug in direkter Abhängigkeit von Strom und Ladungsmenge sehen [2], nicht überein, basiert aber auf langjähriger praktischer Erfahrung. Ein sehr effektiver Chloridentzug kann sowohl bei niedrigen Ladungsmengen erreicht werden, andererseits kann der Chloridentzug selbst bei hohen Ladungsmengen wenig effektiv sein. Beim elektrochemischen Chloridentzug wird also nicht nur Chlorid aus dem Beton entfernt, sondern auch die Alkalität der Betonumgebung in Bewehrungsnähe durch Bildung von Hydroxylionen erhöht. Das verbessert den Korrosionsschutz zusätzlich, denn der korrosionsaus- 4 Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 3 – – lösende Chloridgehalt ist abhängig von der Alkalität des Betons, und ein gewisser Restchloridgehalt kann i. d. R. gefahrlos toleriert werden. Die Bildung von Hydroxylionen durch Sauerstoffreduktion ist wesentlich intensiver als der durch das elektrische Feld bewirkte „Abtransport“ zur Anode. An den Zementstein (C 3A) chemisch gebundenes Chlorid wird durch den Chloridentzug teilweise gelöst, da das Verhältnis freies/gebundenes Chlorid dynamisch ist. Allerdings liegt die chemische Chloridbindefähigkeit des Zementsteins nach eigenen Erfahrungen bei max. 0,5% (bezogen auf den Zementgehalt), so dass keine bedeutenden Mengen in Lösung gehen können. An der externen Anode laufen Reaktionen ab, die zu sehr sauren Bedingungen führen: die Oxidation von Wasser, Hydroxylionen und Chlorid, wie auch die Entwicklung von Chlorgas. Nach [3] kann auch die Reaktion von Wasser und Chlorgas zu einem sauren Milieu führen. 1.2 Komponenten für den Chloridentzug Grundsätzlich werden für den elektrochemischen Chloridentzug folgende Komponenten benötigt: – eine dimensionsstabile, d. h. beständige Anode – normalerweise ein Netz aus aktiviertem Titan – ein Elektrolytreservoir, das die Anode einbettet und für einen elektrolytisch leitenden Kontakt zur Betonoberfläche sorgt – eine Hochstrom-Spannungsversorgung zur Erzeugung des elektrischen Felds zwischen Anode und Bewehrung – Mess- und Steuereinheiten zur Aufzeichnung bzw. Steuerung von Spannung und Strom und – soweit vorhanden – der Signale an den Referenzelektroden Als Elektrolyt kann Leitungswasser verwendet werden. Um eine Ansäuerung der Betonoberfläche durch elektrochemische Reaktionen an der Anode zu verhindern, wird auch eine alkalische, puffernde Lösung mit Ca(OH) 2 oder NaOH verwendet. Zur Kompensation von negativen Effekten in Zusammenhang mit AKR wurde in [4] eine Empfehlung des SHRP [5] zur Anwendung von Lithiumborat-Lösung erwähnt. 1.3 Beeinflussende Faktoren und Randbedingungen für den Einsatz Der elektrochemische Chloridentzug wird von vielen, im praktischen Einsatz nur schwer zu bestimmenden und auch auf kleineren Betonflächen variierenden Faktoren beeinflusst. Der Chloridentzug selbst beeinflusst das behandelte Bauteil nicht nur durch eine Absenkung des Chloridgehalts und der Alkalisierung des Betons um die Bewehrung, sondern auch mit unerwünschten Nebenwirkungen, wenn das Bauwerk zuvor nicht entsprechend untersucht und der Chloridentzug nicht entsprechend projektiert wurde. Bewehrungsführung: Die Bewehrung bildet die Kathode für den Chloridentzug; Stababstand und Betonüberdeckung haben großen Einfluss auf den Behandlungserfolg. Der Hauptanteil des Verfahrens läuft zwischen Betonoberfläche und oberer Bewehrungslage ab; wenn die Be-
U. Schneck · Zerstörungsfreier elektrochemischer Chloridentzug an der Donaubrücke Pfaffenstein: Langzeiterfahrungen über eine bauwerksschonende und verkehrserhaltende Technologie tonüberdeckung < 20 mm ist, wird dieser Bereich nahezu vollständig von Chlorid befreit, aber nur wenig Chlorid kann aus tieferliegenden Zonen entfernt werden. Kurzschlüsse zwischen Anode und Bewehrung müssen vermieden werden. Bei großen Stababständen kann der Entsalzungseffekt ungleichmäßig werden. Bei sehr dicht liegender Bewehrung können tieferliegende Bewehrungslagen von der Mitwirkung am Chloridentzug abgeschirmt werden. Weiterhin muss sichergestellt sein, dass die Bewehrung in den behandelten Flächen metallleitend verbunden ist und dass alle metallischen Einbauteile als Kathode geschaltet sind; sonst bilden sich auf den unverbundenen Metallflächen bipolare Elektroden, die zu einer raschen Metallauflösung führen können. Betonzusammensetzung und Betonschäden: Auch Betonzusammensetzung und -struktur haben großen Einfluss auf die Dauer und Effizienz des Chloridentzugs – ein sehr dichter Beton kann die Anwendungszeit verlängern; bereits reprofilierte Bereiche können im Verhalten erheblich vom Originalbeton abweichen. Obwohl Betonschäden vor Beginn eines Chloridentzugs grundsätzlich unter Verwendung von unmodifiziertem Normalbeton beseitigt werden sollten, kann das Verfahren nach vorliegenden Erfahrungen erfolgreich an Hohlstellen und in Rissbereichen angewendet werden; das ist jedoch eine Einzelfallentscheidung. Korrosionszustand am Beginn der Behandlung: Wenn die Bewehrung vollständig mit Korrosionsprodukten bedeckt ist, wird u. U. ein erheblicher Teil der Ladungsmenge für deren Reduktion benötigt, ohne dass dabei Hydroxylionen gebildet werden. In [6] wurden erste Hinweise auf die Oxidreduktion beschrieben, und theoretisch können bis 500 A/m 2 benötigt werden, ehe die Sauerstoffreduktion und damit die Bildung von Hydroxylionen als hauptsächliche kathodische Reaktion stattfinden. Bei der Definition der Anwendungsziele muss dieser Umstand berücksichtigt werden. Alkali-Kieselsäure-Reaktion: Alkalireaktive Zuschlagstoffe werden in hoch alkalischer und feuchter Umgebung zu expansiven Reaktionen angeregt. Der Zusammenhang zwischen Chloridentzug und AKR wurde mehrfach untersucht [7]; demnach gibt es keinen direkten Zusammenhang zwischen Ladungsmenge, Anwendungszeit und AKR-Effekten. Bei Vorhandensein derartiger Zuschläge im Beton ist jedoch eine Prüfung der Anwendbarkeit des Chloridentzugs erforderlich. Chlorgasentwicklung und Ansäuerung der Betonoberfläche: Ohne entsprechende Vorsichtsmaßnahmen werden durch die anodischen Reaktionen u. U. große Mengen Chlorgas entwickelt und die Betonoberfläche angesäuert. Chlorgas ist nicht nur gesundheitsschädlich, sondern führt in feuchter Umgebung auch zu starken Korrosionsreaktionen an benachbarten metallischen Flächen. Zur Vermeidung dieser Effekte können Ionenaustauscher verwendet werden, die Chlorid binden sowie alkalisch puffernde Elektrolytlösungen. Haftverbund zwischen Stahl und Beton: Die mögliche Beeinträchtigung des Haftverbunds wurde vielfach und unter verschiedenen Testbedingungen untersucht. Negative Effekte – eine Verschlechterung des Haftverbunds um bis zu 50% – wurde besonders an glatten, korrodierten Stählen nach Eintrag sehr hoher Ladungsmengen gefunden, aber kein expliziter Zusammenhang zwischen den Parametern. In [8] wurden sogar eine Erhöhung des Haftverbunds und dessen Wiederanstieg nach Beendigung des Chloridentzugs festgestellt. Nach [9] ist unbedingt der „Vorspanneffekt“ an korrodierten Oberflächen zu berücksichtigen, der den Haftverbund über den projektierten Wert hinaus erhöht. Bei einer Reduktion der Oxide wird genau diese zusätzliche Verbundkraft abgebaut, ohne jedoch unter den Wert im Ausgangszustand des Bauwerks zu fallen. Anwendung des Verfahrens an Spannbetonkonstruktionen: Bei der dritten möglichen kathodischen Reaktion Gl. (1c), die bei Potentialen ≤ 770 mV gegen NHE (Normal-Wasserstoffelektrode) und pH = 13 auftritt, wird molekularer Wasserstoff gebildet, der in das Gefüge von Spannstählen eindringen und dort wasserstoffinduzierten Sprödbruch verursachen kann. Daher darf der Chloridentzug nicht an Spannbetonbauteilen mit sofortigem Verbund eingesetzt werden. Anders sieht es bei Spannbeton mit nachträglichem Verbund aus: dort bildet das Spanngliedhüllrohr einen Faradayschen Käfig und verhindert unzulässige Polarisation des innenliegenden Spannstahls. Dieser Schutz ist auch bei geringfügigen Defekten des Hüllrohrs noch voll wirksam [10]. 1.4 Kriterien für die Beendigung des Chloridentzugs und den Anwendungserfolg Für die sehr komplexen, dynamischen Vorgänge beim Chloridentzug können keine sinnvollen, einzelnen Parameter als Abschalt- und Erfolgskriterium festgelegt werden. Für die praktische Handhabung sind daher in den unter 4. genannten Richtlinien und Spezifikationen mehrere Kriterien genannt, die den lokalen Umständen entsprechend angewendet werden sollen: – Chloridgehalt: der durchschnittliche, aber auch der Chloridgehalt in Bewehrungsnähe sollte maximal 0,4%, bezogen auf die Zementmasse betragen. In Einzelfällen sind in Bewehrungsumgebung maximal 0,8% zulässig. – Ladungsmenge: in Abhängigkeit vom Korrosionszustand der Bewehrung sollte die Ladungsmenge bei wenig korrodierter Bewehrung ca. 400 Ah/m 2 , bei stärker korrodierter Bewehrung zwischen 1.000 und 2.000 Ah/m 2 , bezogen auf die Stahloberfläche, betragen. – Ruhepotentiale: nach Abbau der Restpolarisation und des erhöhten Wassergehalts kann mit einer wiederholten Potentialmessung der Abbau der Makroelemente nachvollzogen werden – vormals sehr negative Potentiale müssen positiver (und umgekehrt) gemessen werden. Die angestrebte maximale Potentialdifferenz im behandelten Bereich sollte bei ca. 150 mV liegen. In der Regel kann diese Untersuchung erst 4–6 Monate nach Abschluss des Chloridentzugs sinnvolle Ergebnisse liefern. Die Ladungsmenge ist besonders für die Repassivierung der Stahloberfläche erforderlich, wenn bereits chloridinduzierter Lochfraß eingetreten war und bezieht sich auf Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 3 5
Seite 1: 3 104. Jahrgang März 2009 Heft 3,
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Seite 12: CITec Concrete Improvement Technolo

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